La technologie Chip-on-Board (COB) consiste à intégrer des puces semi-conductrices directement sur un substrat isolant. Ces puces sont généralement composées de plusieurs composants, et chaque puce est découpée dans une plaquette avant d'être montée sur le boîtier. Ce procédé permet d'utiliser des substrats plus fins, ce qui réduit les coûts, l'encombrement et le poids.
Qu'est-ce qu'une LED à puce intégrée ?
La technologie Chip-on-Board (CUB), également appelée LED Chip-on-Board, consiste en un assemblage de puces LED fixées sur un support faisant office de dissipateur thermique. Cette technologie permet d'intégrer des LED dans différents boîtiers, facilitant ainsi leur manipulation et leur installation.
Ce type de solution d'éclairage élimine le besoin d'utiliser des composants individuels comme des lentilles ou des réflecteurs, car ils sont tous intégrés dans un seul ensemble.
Les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication de ces produits sont les circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB) et les substrats céramiques, en raison de leurs excellentes propriétés de dissipation thermique. En revanche, il convient d'éviter d'autres matériaux comme les plastiques, qui présentent une conductivité thermique insuffisante.
Qu'est-ce que la technologie LED à puce intégrée ?
Une LED COB (Chip On Board) est un type de LED montée sur un substrat léger à haute conductivité thermique. Ces dispositifs utilisent un boîtier à l'échelle de la puce, ce qui permet de créer des sources lumineuses beaucoup plus petites que les LED traditionnelles. L'acronyme COB pour cette technologie a été inventé par Cree, Inc., l'un des principaux fabricants de LED COB. Ce terme décrit comment des éléments tels que la puce semi-conductrice et les liaisons filaires sont montés directement sur le boîtier de la LED, sans composants intermédiaires.
À l'instar des autres types de LED encapsulées, les puces embarquées peuvent être divisées en différentes catégories.
Historique de la puce sur carte
Dans la fabrication des semi-conducteurs, les plaquettes subissent de nombreuses étapes de traitement pour former des circuits intégrés (CI). À chaque étape, certains CI présentent des défauts dus à des impuretés ou à d'autres imperfections. Au lieu de jeter ces plaquettes encore utilisables mais non défectueuses, on les découpe parfois en morceaux plus petits appelés puces. Ces morceaux peuvent ensuite être montés sur un substrat plus grand ou une carte de circuit imprimé (PCB) pour former un assemblage électronique.
L'une des premières techniques de montage de puces est le câblage par fils. Elle consiste à relier deux composants par un fil conducteur. Cette méthode peut s'avérer très efficace. Cependant, la défaillance d'un seul de ces fils rend l'ensemble du dispositif inutilisable. Par la suite, une technologie alternative, appelée « Chip-on-Board » (CBO), a été développée. La puce est montée directement sur le circuit imprimé (PCB) à l'aide d'un adhésif conducteur. Les puces interconnectées et le substrat du PCB sont ensuite fusionnés par brasage par refusion ou par fixation eutectique. La technologie CBO présente plusieurs avantages par rapport aux connexions par fils : un coût et une taille réduits, ainsi qu'une fiabilité accrue grâce à la diminution du nombre de points de défaillance. Toutefois, la technologie CBO présente également des inconvénients, notamment une faible dissipation thermique, car la majeure partie de la chaleur générée par les composants se concentre à proximité de la puce.
Puces sur carte vs Puces sur flexible
La principale différence entre les deux technologies réside dans le substrat utilisé. Dans les dispositifs COB, une puce individuelle est généralement montée sur un circuit imprimé à noyau métallique (parfois appelé MCPCB). En revanche, les dispositifs COF (Chip on Flex) utilisent un substrat organique flexible.
Les LED COB offrent une meilleure dissipation de la chaleur que les technologies LED à montage en surface classiques.
Cependant, elles présentent aussi des inconvénients. L'utilisation d'une carte à noyau métallique pour le montage d'une puce semi-conductrice exige un processus de production plus complexe. La carte à noyau métallique doit être moulée et les puces laminées. Elle ne peut être montée que sur un autre matériau, comme du plastique ou du métal. Le coût augmente avec la complexité du système. Un autre inconvénient de cette technologie est la diminution de la densité de puissance de sortie due à l'augmentation de la résistance thermique entre les composants.
La LED COB (Chip on Board) est un type de diode électroluminescente. Son boîtier à l'échelle de la puce lui permet d'être beaucoup plus petite que les LED traditionnelles et de présenter moins de points de connexion. Ces dispositifs utilisent des substrats légers et à haute conductivité thermique, contrairement à d'autres technologies de montage en surface, telles que la technologie COB (Chip on Board) utilisant des circuits imprimés à noyau métallique ou la technologie COF (Chip on Flex) utilisant des substrats organiques. L'acronyme COB pour cette technologie a été créé par Cree, l'un des principaux fabricants de LED COB.
Avantages des LED à puce intégrée par rapport aux LED à montage en surface
1) Amélioration de la qualité de la lumière
L'un des principaux avantages de l'éclairage LED COB réside dans sa capacité à fournir une lumière de qualité supérieure par rapport aux ampoules incandescentes et fluorescentes. En effet, les lampes COB produisent une lumière blanche et nette, quasiment sans distorsion ni altération des couleurs. De ce point de vue, ces LED se rapprochent de la lumière du soleil, qui contient toutes les couleurs du spectre visible, des infrarouges aux ultraviolets.
2) Haute précision des couleurs
La fidélité des couleurs désigne la correspondance entre les différentes couleurs produites par une LED et leurs valeurs nominales. De ce point de vue, la technologie LED COB (Chip On Board) est parmi les meilleures pour l'éclairage général. Elle est particulièrement adaptée aux bureaux et aux salons grâce à sa capacité à produire des nuances de blanc riches sans distorsion chromatique significative.
3) Efficacité énergétique
Une ampoule à incandescence classique dissipe plus de 90 % de son énergie sous forme de chaleur au lieu de lumière. En effet, le filament situé à l'intérieur de l'ampoule doit être chauffé à 2 550 degrés Celsius (4 600 degrés Fahrenheit) pour émettre de la lumière. À l'inverse, les LED n'utilisent que 10 à 30 % de leur énergie pour produire de la lumière, tandis que 70 à 90 % sont dissipés sous forme de chaleur. Ainsi, la technologie LED à puce intégrée (COB) permet de produire le même flux lumineux (en lumens) plus rapidement et plus facilement que les LED classiques ou les ampoules fluocompactes.
4) Température de fonctionnement plus basse
La température de fonctionnement plus basse des LED COB constitue un autre avantage, car elle élimine le besoin d'équipements de refroidissement spécifiques. De ce fait, la technologie LED COB est une solution idéale pour les environnements à température élevée, tels que les combles ou les entrepôts.
5) Efficacité luminale accrue
Une ampoule à incandescence classique a une efficacité lumineuse d'environ 12 lumens par watt, tandis que les LED offrent une efficacité lumineuse de 50 à 100 lumens par watt. De plus, l'utilisation de LED COB, plutôt que de LED classiques, permet d'obtenir un flux lumineux jusqu'à 150 % supérieur à celui des ampoules fluocompactes et 30 % supérieur à celui des ampoules à incandescence traditionnelles.
6) Durée de vie plus longue
Les lampes LED COB ont une durée de vie estimée entre 40 000 et 50 000 heures selon le fabricant. Elles peuvent donc durer plus longtemps que la plupart des lampes fluocompactes et halogènes, dont la durée de vie est généralement limitée à 6 000 heures.
7) Indépendance énergétique
Une lampe LED COB équivalente à 100 watts consomme moins de 10 watts en fonctionnement. Elle représente donc une option plus économique pour les particuliers et les entreprises, même face à la hausse des prix de l'énergie. De plus, dans certaines régions, les fournisseurs d'électricité proposent des remises ou des réductions sur les équipements d'éclairage COB, permettant ainsi de réduire davantage les factures d'électricité mensuelles.
8) respectueux de l'environnement
Comparée aux ampoules à incandescence traditionnelles, la technologie LED à puce intégrée (CBO) ne repose pas sur des métaux rares comme le mercure et l'argon. Elle ne contient aucune substance toxique comme le plomb ou le béryllium.
9) Meilleure dissipation de la chaleur
Si vous comparez la chaleur dissipée par une ampoule à incandescence à celle des LED COB, vous constaterez une différence significative. En effet, la technologie des LED COB leur permet de dissiper facilement la chaleur grâce à leurs ailettes, contrairement aux ampoules traditionnelles à filament métallique.
10) Niveau de luminosité plus élevé
La technologie LED COB (Chip on Board) offre un flux lumineux supérieur aux lampes LED classiques. En utilisant des LED COB plutôt que des LED standard, vous pouvez augmenter la luminosité sans compromettre l'efficacité énergétique.
11) Large gamme d'applications
La technologie LED à puce intégrée (COB) est plus polyvalente que les autres formes d'éclairage LED. Elle s'adapte à de nombreuses applications, de l'éclairage intérieur à l'éclairage extérieur. Son rendement énergétique lui permet d'être utilisée dans presque tous les types d'applications sans générer de chaleur excessive ni de pertes significatives d'énergie.
12) Élimine le besoin de remplacer les ampoules
Les LED COB sont conçues pour fonctionner à haute température. Contrairement aux ampoules fluocompactes (CFL) dont le filament finit par griller, elles n'ont pas besoin d'être remplacées après un certain temps, même si elles continuent d'émettre de la lumière. À condition de les acheter correctement et de les utiliser dans des conditions normales, leur durée de vie est généralement comprise entre six mois et trois ans, selon leur puissance.
13) Plus grande flexibilité de conception
L'éclairage LED COB peut être utilisé quasiment partout où il est prévu. Sa conception est optimisée en fonction de l'application. Cette technologie est également compatible avec de nombreux types de luminaires, d'optiques et de culots, contrairement aux LED standard dont les options sont plus limitées.
14) Facile à utiliser et à installer
Grâce à leur petite taille, les lampes COB peuvent être installées dans une grande variété de luminaires : bougies minimalistes, suspensions, éclairage sur rail, appliques murales, plafonniers, etc.
15) Compatibilité avec de nombreuses applications
La lampe LED à puce intégrée est compacte et puissante. Elle suffit amplement à remplacer les solutions d'éclairage traditionnelles, souvent trop encombrantes ou insuffisamment lumineuses. C'est pourquoi ces lampes sont utilisées dans les bureaux, les entrepôts, les stades, les centres commerciaux, les parkings et autres lieux publics.
Comment sont fabriquées les puces sur carte ?
On peut utiliser le procédé appelé collage de plaquettes pour produire des puces sur des cartes.
On peut obtenir des plaquettes de matériau semi-conducteur à partir d'un lingot monocristallin.
Ces plaquettes sont découpées, nettoyées et polies afin d'obtenir des surfaces lisses, planes et parallèles. Une fine couche est ensuite déposée sur chacune d'elles pour former les connexions électriques nécessaires à la LED. Ce « sandwich » est ensuite assemblé par ultrasons ou par une méthode de collage par adhérence, permettant de fixer deux surfaces sans utiliser de colle.
Une fois cette étape terminée, on peut produire des puces avec tous leurs composants électroniques en découpant des portions de l'assemblage. La méthode la plus courante actuellement consiste à scier chaque plaquette sur ses deux faces à l'aide d'une lame diamantée. Ce procédé est complété par le clivage, le sciage au fil ou la gravure plasma, qui permettent d'enlever des zones spécifiques.
Les plaquettes, une fois séparées en puces individuelles, sont ensuite montées sur un support conducteur pour finaliser l'assemblage. Chaque puce est généralement pressée contre ce support avec une force comprise entre 1 et 10 grammes. Avec les LED COB, la soudure peut être utilisée pour les connexions électriques, en remplacement des fils, car elles offrent une meilleure conductivité thermique que les technologies d'éclairage traditionnelles.
Comment souder une puce sur une carte ?
Étape 1
Le soudage de puces sur carte est relativement simple. Il vous faut d'abord vous procurer le matériel de soudage adéquat : pâte à souder, fer à souder, flux, résine, etc., selon vos préférences.
Veillez à ce que votre zone de travail soit aussi propre que possible. Suivez les consignes de sécurité du fabricant afin d'éviter tout accident pendant le processus.
Étape 2
Ensuite, placez la LED sur son substrat en l'alignant correctement par rapport au circuit imprimé (PCB) ou au substrat céramique. À ce stade, vous pouvez utiliser du ruban de transfert thermique pour améliorer la conductivité thermique entre les deux éléments, si nécessaire.
Étape 3
Ensuite, il vous suffit d'appliquer de la pâte à souder sur l'une des pastilles de votre puce LED à l'aide d'une raclette, puis de la transférer sur votre substrat.
Enfin, vous pouvez souder la LED en déposant une petite quantité de soudure sur la pastille à l'aide d'un fer à souder. Évitez d'utiliser trop de pâte à souder ou d'appliquer une chaleur excessive, car cela pourrait endommager ou fissurer les composants.
Conclusion
La technologie LED Chip-on-Board est une solution simple et économique pour intégrer des LED dans différents types de luminaires. Elle trouve des applications dans de nombreux domaines, tels que l'éclairage d'ambiance, les spots encastrés, le rétroéclairage d'écrans et la signalétique, entre autres.
Elle offre de nombreux avantages, notamment l'absence de systèmes optiques complexes tels que des lentilles ou des réflecteurs, ce qui simplifie sa fabrication. Elle fournit également une intensité lumineuse supérieure aux solutions conventionnelles grâce à un rendement lumineux plus élevé (en lumens par watt). Sa conception sur carte (Chip on Board) permet une dissipation thermique plus efficace et une dégradation plus rapide que d'autres solutions d'éclairage comme les OLED.